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3D打印类昆虫“柔性机器人”面世 专家称将加快各领域科研进展

2020/4/17 11:10:00 来源: 评论(0)0

3D打印类昆虫柔性机器人专家领域科研进展

3D打印正在不断向新的领域突破。

     日前,有报道称,美国加州大学圣地亚哥分校的研究人员利用3D打印技术,制造出一只柔性机器人,整个打印过程简单而且快速。利用这一方法,可以仅使用3D打印机,便能实现制造类似昆虫的柔性机器人。

     其中,最重要的技术突破就是3D打印出柔性骨架。柔性骨架与传统的柔性机器人很不同,会像昆虫的结构一样在特定区域增强刚度,而传统的柔性机器人一般只在实体上黏附柔性材料。据悉,一个完整组装的类昆虫柔性机器人,由几个柔性骨架组成。每个骨架组件,需要大约10分钟的打印时间,在不到两小时内,就能打印和组装出一个成品。

      值得注意的是,这一技术将大大降低成本。其单个组件的3D打印成本不到1美元,除此以外最贵的部件就是处理电源、传感器和电池。科研界相关人士在接受21世纪经济报道记者采访时认为,此类新的3D打印技术,将有助于加快各领域在科研方面的进展。“如果没有3D打印,在实验过程中,需要自己去寻找适合的零部件。如果要采取特殊的订制方法,成本很高,绝对远远超过1美元。”

促进仿生领域发展

     近年来,3D打印技术作为一种快速成型技术,已经趋于成熟化。该技术以数字三维模型为图纸,采用数字技术材料打印机,以实现逐层打印制造物品。目前,已经有不少企业开始使用3D打印技术制作的零部件,并且广泛运用于汽车、航空、牙科、医疗等各大领域。

     据了解,3D打印柔性骨架,其主要方法是把刚性材料,打印在柔软的薄聚碳酸酯板上来制作。发展中的3D打印技术,可以大幅提高仿生领域的研究进展,例如制造打印蛇形柔性机器人。蛇形柔性机器人可以应用在复杂地形或多层多缝隙地形的勘察工作。在高危复杂地形和场景下,如地震后坍塌楼层的搜救都可以发挥作用。

      再以昆虫柔性机器人为例,由于蜻蜓翅膀的纹理结构复杂,因此具有优异的飞行性能和机动性,3D打印出并模拟蜻蜓翅膀的结构,可以深入研究微小飞行器在气动力方面的理论。此前,任职于浙江大学宁波研究院的张晟教授和他的团队,将蜻蜓翅膀的一个重要结构作为研究对象,透过风洞实验的可视化方法进行了研究。

      通过3D打印技术,制作了三种脉结构的仿蜻蜓翅膀:开放式节点结构、封闭式节点结构(带限弯器)和刚性机翼。利用高速摄影机在风洞中对机翼结构的变形进行了可视化方法研究,研究节点结构机翼在滑翔飞行中的作用。通过实验,了解了节点对机翼结构的柔度影响程度。此外,闭合的节点翼(带限弯器)使静脉结构具有灵活性,而不会失去关节的强度和刚度。

   “蜻蜓在自然界中被誉为飞行达人,哪怕在狂风暴雨中依旧能保持平衡,无论是滑翔还是在拍翅膀飞行中。利用3D打印的昆虫柔性机器人,可以更好地控制飞行器在极端条件下的运行,例如大风大雨之类的极端天气。我们通过学习和仿生蜻蜓翅膀,可以制造出更好的飞行翼,对微飞行器的发展很有帮助。”张晟教授对21世纪经济报道记者表示。

降低使用成本

     3D打印技术不仅被广泛运用于各大制造业领域,其技术简单、廉价、快速成型的优点也深受科研人员的喜爱。原本费时费力的实验材料,可以更便捷地通过3D技术量身打印,大幅度加快各科研领域的研究速度。

     前述柔性机器人的打印方法,不需要任何特殊设备,只需几分钟即可创建柔软灵活的3D打印机器人。研究人员没有将软材料添加到刚性机器人主体中,而是从软主体入手,在关键组件中添加刚性特征。这些结构灵感来自于昆虫的骨骼,骨骼既有柔软的部分又有刚性的部分。

   通过这项技术,只要很少的手工组装,就可以构建大型的柔性骨架机器人,并且可以建成类似乐高的零件库,轻松更换机器人零件。同时,3D打印技术,还将衍生出一些专门结合3D打印技术为一体的交叉型学科。

     过去, 3D打印技术也被运用于模拟皮肤方面的研究。任职于中科院上海高等研究院的曾祥琼教授和她的团队,设计了一种新型压阻式皮肤传感器,模拟人体皮肤的纹理和灵敏度。这是一种新型材料,由交联的表面分布着碳纳米管的聚二甲基硅氧烷微球(MPs)组成,并通过3D打印而成。

由这些传感器制成的电子皮肤,其模量与人体皮肤相似;此外,它在外力作用下会发生弹性变形。通过模拟人体皮肤的接触行为,研究了电子皮肤对剪切力的响应,发现触觉传感器对施加的剪切力敏感度高,具备响应时间短、耐久性高、灵活性强等优点。

     前述科研行业人士表示,电子皮肤的力学性能与人体皮肤相似,因此研制的电子皮肤能够穿戴在真实皮肤上,像皮肤一样适应与运动有关的皮肤应变。期望3D打印柔性触觉传感器可以用于各种工程应用,如皮肤贴片传感器网络和植入式生物医学设备。“在今后的工作中,我们将系统地研究不同微结构器件的传感和摩擦学特性,以及器件的小型化和可扩展性设计。”

    不过,无论是自动驾驶、3D打印、还是量子计算等新兴技术,仍然还在等待消费级的突破。随着5G的发展,以及产业互联网的打通,3D打印技术有望在更多的场景落地。

 

责任编辑:第一时间
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